B.3. Das Innenleben eines Rechners: die verschiedenen beteiligten Schichten

Ein Rechner wird häufig als etwas ziemlich Abstraktes angesehen, und die äußerlich sichtbare Schnittstelle ist wesentlich einfacher als seine interne Komplexität. Diese Komplexität ergibt sich zum Teil aus der Zahl der beteiligten Teile. Diese Teile können jedoch in Form von Schichten betrachtet werden, wobei eine Schicht nur mit der unmittelbar darüber- und darunterliegenden interagiert.

Ein Endbenutzer kann zurechtkommen, ohne diese Einzelheiten zu kennen... solange alles funktioniert. Wenn man einem Problem wie „Das Internet geht nicht!“ gegenübersteht, besteht der erste Schritt darin herauszufinden, aus welcher Schicht das Problem herrührt. Funktioniert die Netzwerkkarte (Hardware)? Wird sie vom Rechner erkannt? Sieht sie der Linux-Kernel? Sind die Netzwerkparameter richtig eingestellt? All diese Fragen grenzen die zutreffende Schicht ein und richten das Augenmerk auf die mögliche Quelle des Problems.

B.3.1. Die unterste Schicht: Die Hardware

Lassen Sie uns mit der grundlegenden Erinnerung beginnen, dass ein Rechner in erster Linie eine Zusammenstellung von Hardwareelementen ist. Es gibt im Allgemeinen eine Hauptplatine (das Motherboard) mit einem (oder mehreren) Prozessor(en), etwas RAM, Gerätesteuerungen und Erweiterungssteckplätze für Optionskarten (für weitere Gerätesteuerungen). Von diesen Steuerungen sind vor allem das IDE (paralleles ATA), das SCSI und das serielle ATA zum Anschluss von Speichergeräten wie Festplatten beachtenswert. Zu den weiteren Steuerungen gehören das USB, das eine große Vielfalt an Geräten (von Webkameras zu Thermometern, von Tastaturen zu Systemen für die Hausautomation) aufnehmen kann, und das IEEE_1394 (Firewire). Diese Steuerungen ermöglichen es häufig, mehrere Geräte anzuschließen. Daher wird das vollständige Subsystem, für das eine Steuerung zuständig ist, gewöhnlich als „Bus“ bezeichnet. Zu den Optionskarten gehören Grafikkarten (an die Bildschirme angeschlossen werden), Soundkarten, Netzwerkschnittstellenkarten und so weiter. Bei einigen Hauptplatinen sind diese Bestandteile bereits fest eingebaut, so dass sie keine Optionskarten benötigen.

IN DER PRAXIS Überprüfen, ob die Hardware funktioniert

Zu überprüfen, ob ein Hardwareteil funktioniert, kann schwierig sein. Dagegen lässt sich manchmal recht einfach feststellen, dass es nicht funktioniert.

Ein Festplattenlaufwerk besteht aus sich drehenden Platten und sich bewegenden Magnetköpfen. Wenn eine Festplatte angeschaltet wird, erzeugt der Plattenmotor ein charakteristisches Surren. Außerdem gibt er Energie in Form von Hitze ab. Deshalb ist ein Festplattenlaufwerk, das beim Anschalten kalt und still bleibt, defekt.

Netzwerkkarten besitzen häufig LEDs, die den Verbindungsstatus anzeigen. Falls ein Kabel angeschlossen ist und zu einem funktionierenden Netzwerk-Hub oder -Schalter führt, wird zumindest eine LED an sein. Falls keine LED leuchtet, ist entweder die Karte selbst, das Netzwerkgerät oder das Kabel zwischen ihnen defekt. Der nächste Schritt besteht deshalb dann darin, jede Komponente einzeln zu überprüfen.

Einige Optionskarten - insbesondere 3D-Videokarten - enthalten Kühlungen, wie Kühlkörper und Ventilatoren. Wenn sich der Ventilator nicht dreht, obwohl die Karte angeschaltet ist, besteht eine plausible Erklärung darin, dass die Karte überhitzt ist. Das Gleiche gilt auch für den oder die Hauptprozessor(en) auf der Hauptplatine.

B.3.2. Der Starter: das BIOS oder UEFI

Hardware ist für sich genommen ohne entsprechende Software, die sie steuert, nicht in der Lage, sinnvolle Tätigkeiten auszuführen. Der Zweck des Betriebssystems und der Anwendungen besteht darin, die Hardware zu kontrollieren und mit ihr zu interagieren. Ihrerseits benötigen sie funktionierende Hardware, um zu laufen.

Diese Symbiose zwischen Hardware und Software kommt nicht von allein zustande. Wenn der Rechner zu Anfang hochgefahren wird, muss zunächst einiges eingerichtet werden. Diese Rolle übernimmt das BIOS oder UEFI, ein Stück Software, das in der Hauptplatine eingebettet ist und beim Hochfahren automatisch ausgeführt wird. Seine Hauptaufgabe besteht darin, nach Software Ausschau zu halten, an die es die Kontrolle übergeben kann. Normalerweise bedeutet dies im Falle von BIOS, nach der ersten Festplatte mit einem Boot-Sektor zu suchen (auch Master Boot Record oder MBR genannt), dann diesen Boot-Sektor zu laden und ihn auszuführen. Von da an ist das BIOS (bis zum nächsten Hochfahren) normalerweise nicht mehr beteiligt. Im Falle von UEFI startet der Prozess die Suche nach einer EFI Partition welche die weiteren zu startenden EFI Applikationen enthält.

HILFSPROGRAMM Setup, das BIOS/UEFI-Konfigurationsprogramm

Das BIOS/UEFI enthält auch Software namens Setup, das dazu bestimmt ist, bestimmte Aspekte des Rechners einzustellen. Insbesondere lässt sich mit ihm das bevorzugte Startgerät auswählen (zum Beispiel das Disketten- oder das CD-ROM-Laufwerk), die Systemuhr einstellen und so weiter. Um Setup zu starten, muss normalerweise unmittelbar nach dem Einschalten des Rechners eine Taste gedrückt werden. Diese Taste ist häufig Entf oder Esc, manchmal auch F2 oder F10. Meistens wird die Auswahlmöglichkeit während des Hochfahrens kurz eingeblendet.

Der Bootsektor (oder die UEFI Partition) enthält seinerseits Software, Boot-Loader genannt, dessen Zweck darin besteht, ein Betriebssystem zu finden und auszuführen. Da dieser Boot-Loader nicht auf der Hauptplatine eingebettet ist, sondern von einer Platte geladen wird, kann er intelligenter als das BIOS sein, woraus sich erklärt, warum nicht das BIOS selbst das Betriebssystem lädt. Zum Beispiel kann der Boot-Loader (auf einem Linux-System häufig GRUB) die verfügbaren Betriebssysteme auflisten und den Benutzer bitten, eines auszuwählen. Normalerweise ist dies mit einem Zeitlimit und einer voreingestellten Auswahl versehen. Manchmal kann der Benutzer auch zusätzliche Parameter zur Weiterleitung an den Kernel angeben und so weiter. Schließlich wird ein Kernel gefunden, in den Speicher geladen und ausgeführt.

NOTIZ UEFI, ein moderner BIOS-Ersatz

UEFI ist eine relativ neue Entwicklung. Die meisten neuen Computer unterstützen das Booten mit UEFI, aber in der Regel auch mit BIOS, um durch Rückwärtskompatibilität mit Betriebssystemen booten zu können, die nicht in der Lage sind UEFI zu nutzen.

Dieses neue System enfernt einige Beschränkungen des Bootens mit BIOS: durch Verwendung einer eignenen Partition brauchen die Bootloader keine speziellen Tricks mehr, einen sehr kleinen Master Boot Record unterzubringen, um dann den zu bootenden Kernel zu finden. Besser noch, mit einem passenden Linux Kernel kann UEFI diesen ohne dazwischengeschalteten Bootloader direkt booten. UEFI ist also die Grundlage für Secure Boot, eine Technologie, die sicherstellt, dass Sie nur durch den Betriebbssystemhersteller geprüfte Software laufen lassen.

Das BIOS/UEFI ist auch dafür zuständig, eine Anzahl von Geräten zu finden und zu initialisieren. Offensichtlich gehören hierzu die IDE/SATA-Geräte (normalerweise Festplatten und CD/DVD-ROM-Laufwerke) aber auch PCI-Geräte. Erkannte Geräte werden häufig während des Hochfahrens auf dem Bildschirm angezeigt. Falls diese Liste zu schnell vorbeiläuft, können Sie die Pause-Taste drücken, um sie zum Lesen anzuhalten. PCI-Geräte, die installiert sind, aber nicht angezeigt werden, sind ein schlechtes Zeichen. Im schlimmsten Fall ist das Gerät defekt. Im besten Fall ist es nur nicht mit der aktuellen Version des BIOS oder der Hauptplatine kompatibel. PCI-Spezifikationen entwickeln sich weiter, und bei alten Hauptplatinen ist nicht gewährleistet, dass sie mit neueren PCI-Geräten umgehen können.

B.3.3. Der Kernel

Sowohl das BIOS/UEFI als auch der Boot-Loader laufen jeweils nur für einige Sekunden; wir gelangen nun zur ersten Software, die länger läuft: dem Betriebssystem-Kernel. Dieser Kernel nimmt die Rolle eines Orchesterdirigenten ein und gewährleistet die Koordination zwischen Hardware und Software. Zu dieser Rolle gehören mehrere Aufgaben, unter anderem: Hardware betreiben, Prozesse verwalten, Benutzer und Berechtigungen, das Dateisystem und so weiter. Der Kernel stellt eine gemeinsame Grundlage für alle anderen Programme des Systems zur Verfügung.

B.3.4. Die Anwendungsebene

Obwohl alles, was außerhalb des Kernels geschieht, unter dem Begriff „Anwendungsebene“ zusammengefasst werden kann, können wir sie dennoch in verschiedene Software-Ebenen unterteilen. Ihr Zusammenwirken ist jedoch komplexer als zuvor, und die Unterteilungen sind manchmal nicht gerade einfach. Eine Anwendung verwendet normalerweise Bibliotheken, die wiederum den Kernel einbeziehen, die Kommunikation kann aber auch andere Programme einbeziehen, oder zahlreiche Bibliotheken können sich sogar gegenseitig aufrufen.